導管架平臺甲板荷載長期監(jiān)測

王延林, 岳前進, 畢祥軍, 張 崎

(1.大連理工大學工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室,大連116023;2.大連理工大學船舶工程學院,大連116023)

導管架平臺甲板荷載長期監(jiān)測

王延林1, 岳前進1, 畢祥軍1, 張 崎2

(1.大連理工大學工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室,大連116023;2.大連理工大學船舶工程學院,大連116023)

本文根據(jù)導管架平臺的結構特點,采用光纖光柵應變監(jiān)測技術,實現(xiàn)了導管架平臺甲板荷載變化的長期監(jiān)測。該技術不僅可以監(jiān)測平臺使用過程中的荷載變化,還可以應用于平臺建造過程中的結構質(zhì)量稱重與重心測量。

海洋平臺;甲板荷載監(jiān)測;光纖光柵;稱重與重心測量

0 引言

海洋平臺的上部質(zhì)量估計與控制是海洋平臺結構設計的重要參數(shù)。在滿足平臺安全與功能要求的前提下,應該盡量控制平臺的上部質(zhì)量,以減少平臺樁基數(shù)量與樁基深度,進而控制平臺的建造以及施工的成本。然而平臺在陸上建造過程中,由于焊接材料、橇塊及結構局部修改等原因,建成后的平臺總重量和質(zhì)量分布與設計時存在著較大的差異。平臺陸上吊裝、海上運輸及海上甲板組塊安裝施工過程中,平臺甲板的總重量和質(zhì)量分布都十分重要[1]。通常平臺在海上安裝前,需要在陸上對導管架結構及上部組塊等大型結構件進行整體稱重,目前通用的方法是通過多點同步頂升技術進行大型結構物的整體稱重[2～5]。

海洋平臺海上安裝就位之后,平臺甲板的所有重量都由樁基承載,因此,平臺甲板質(zhì)量的大小直接決定著樁基的數(shù)量和單樁的設計承載力。平臺安裝就位之后,由于平臺上部設施的增加、打井作業(yè)等因素的影響,平臺總重量和質(zhì)量分布會隨之發(fā)生變化。通常情況下,樁基的設計能力能夠滿足這些荷載變化的要求。但如遇到一些特殊或意外情況,例如增加的質(zhì)量過大或單樁的承載能力降低等情況,這時就需要對平臺上部甲板荷載的變化進行監(jiān)測,以減小對樁基承載力的要求。

在海上對平臺甲板的荷載變化進行監(jiān)測,最常用的方法是將所有的荷載變化記錄下來,最后估算總的荷載變化。這種做法對于大型平臺而言,工作量將非常大,甚至難以為繼。如果能在平臺作業(yè)過程中,對平臺上部的重量直接“稱重”則是比較理想的方式,但目前沒有類似的海上平臺重量“稱重”工作可以借鑒。

導管架海洋平臺通過泥下的若干根樁支撐著平臺上部甲板的總重量。平臺組塊安裝和上部荷載發(fā)生變化時會使樁腿處產(chǎn)生壓應變,通過樁腿應變和荷載之間的關系,就可以得到平臺上部質(zhì)量的變化,從而起到稱重的作用。常規(guī)應變測量技術是通過電阻應變計測量結構的應變變化,但由于蠕變、零漂、現(xiàn)場可靠性差等問題,其無法滿足現(xiàn)場稱重的要求。本文為了實現(xiàn)對某平臺上部荷載進行控制的要求,采用了能彌補常規(guī)電阻應變計不足的光纖光柵應變監(jiān)測技術[6～9],建立了導管架平臺甲板荷載監(jiān)測系統(tǒng),以對平臺甲板荷載的長期監(jiān)測。該測量方法也可用于平臺在陸上的整體稱重與重心測量。

圖1 單樁二維受力模型

1 甲板荷載測量原理

平臺甲板荷載分布在各個樁腿上,所有樁腿上承受的荷載的總和即是平臺上部甲板的總荷載,因此首先需要測量出每個樁腿所受的荷載。平臺甲板荷載是朝著重力方向的,理論上樁腿同一截面處的任一垂向應變都與所受的甲板荷載成正比。但由于平臺樁腿并不處于完全垂直狀態(tài),同時,由于風載、海浪、流等因素的影響,樁腿受到橫向載荷的作用,所以樁腿同一截面處的各點的應變大小是不相等的。為此,橫向荷載對測量的影響就不能予以忽略。綜上分析,建立如圖1所示的單樁二維簡化受力模型。圖中:F為平臺甲板荷載;M為樁腿受某一橫向荷載而產(chǎn)生的彎矩;θ角為樁腿的傾角;ε1、ε2為樁腿表面處直徑上的兩點應變大小。由該模型為壓扭組合模型可得

式中:N為總拉(壓)力;Mz為總的彎矩;S為樁腿截面積;Wz為材料抗彎截面模量。另外,式中

將式(3)、(4)代入式(1)、(2)中得

設ε1′、ε2′為樁頭任意直徑上的兩點的應變,與ε1、ε2所在直徑有一個夾角α(如圖1所示),根據(jù)等截面梁理論有

式(7)+式(8)求得力F:

式(9)中ε1′、ε2′為任意直徑上的兩點應變,S、E、θ是常量。因此可以通過測量樁腿任意直徑上的兩點的垂向應變來補償樁腿的傾角和所受橫向荷載產(chǎn)生的彎矩的影響,從而得到單樁荷載F。所有樁腿的荷載的總和即是平臺甲板的總荷載。

2 工程實例

2.1 工程概述

南堡35-2 WHPB平臺位于渤海灣東北海域,距河北東南方向約20 km,水深12.6 m。在平臺的設計過程中,為了節(jié)約鉆井船的租用費用,平臺上部安有鉆井模塊并在平臺上實施邊鉆邊采作業(yè)。平臺設計為六腿六樁結構,平臺主體包括導管架、上部組塊、鉆井模塊和生活樓等設施。因此平臺上部設施質(zhì)量很大,同時加上鉆井作業(yè)過程中,產(chǎn)生較大的鉆井荷載、以及平臺上部鉆桿的增減、鉆井模塊的移動等因素,使得平臺甲板的靜荷載、動荷載及載荷分布都隨時發(fā)生著變化,從而使得樁腿需要承擔很大的固定荷載和變化荷載。為了確保平臺的安全,需要對打井作業(yè)期間的平臺甲板荷載進行監(jiān)測。

2.2 測點選擇和傳感器布設

首先根據(jù)平臺結構特點選擇測點的位置和數(shù)量(圖2為樁頭應變測點布置圖)。平臺甲板組塊與樁腿連接部位(樁頭)承載著所有甲板重量,因此測點位置選擇在樁頭部位的直立腿上距焊縫較遠(≥50 cm)的位置,避免焊接處對測量的影響。通過前文理論分析可知,只要同時測量樁腿直徑上兩點的應變變化,就可以得到樁腿處的荷載情況。但為了保證測量的精度和可靠性,實際傳感器布設在每個樁腿的測點位置。在同一水平標高處,每間隔90°布置一個光纖光柵應變傳感器(見圖2)。這樣每個樁腿上就有兩對荷載測量傳感器,如果有任意一個傳感器失效,還可以通過剩下的一對傳感器繼續(xù)測量,這即保證了測量的可靠性,又可以提高系統(tǒng)的測量精度。同時在傳感器安裝之后,還應對傳感器部位以及傳輸?shù)木€路進行防護,以防由于施工等原因造成信號丟失。樁腿上安裝就位后的光纖光柵應變傳感器如圖3所示。六個樁腿在同一水平標高處,按相同方式布設傳感器。并為消除由于溫度引起的測量誤差,還在每個樁腿附近布設了一個光纖光柵溫度傳感器,六個樁腿共計布設24個光纖光柵應變傳感器和6個光纖光柵溫度傳感器,總體布置圖如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)標定

傳感器布設之后,需對整個監(jiān)測系統(tǒng)的載荷靈敏度系數(shù)進行標定。首先,根據(jù)公式(9),計算系統(tǒng)的理論荷載靈敏度系數(shù)。其中,E取200 GPa,θ近似90°,樁腿外徑1 524 mm,壁厚50 mm,計算得到荷載靈敏度系數(shù)為4.69 T/με。

其次,通過平臺吊車吊裝貨物進行現(xiàn)場靈敏度系數(shù)標定實驗。使用平臺40 t吊車進行部分物資、設備的吊裝,吊車可以記錄每次吊裝貨物的重量。根據(jù)吊裝記錄以及監(jiān)測到的六個樁腿的總的應變情況,標定得到系統(tǒng)的荷載靈敏度系數(shù)為:4.73 T/με。與理論值基本吻合,其中的偏差可能是由于理論分析中材料的彈性模量和傾角θ與實際情況略有不同引起的。標定實驗表明該系統(tǒng)用于平臺甲板荷載監(jiān)測是可行的。但最終采用的荷載靈敏度系數(shù)以實際標定值為準。

將標定的荷載靈敏度系數(shù)輸入到系統(tǒng)中,比較吊裝記錄和監(jiān)測系統(tǒng)實測到的荷載變化情況如圖5所示?？梢姳O(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與吊裝記錄數(shù)據(jù)吻合很好,而且系統(tǒng)響應靈敏,實時地監(jiān)測到了平臺甲板荷載的變化情況。

2.4 監(jiān)測結果與分析

監(jiān)測系統(tǒng)安裝就位后,在平臺整個打井作業(yè)的危險作業(yè)期內(nèi),系統(tǒng)運行良好,不但記錄下了平臺甲板荷載的變化情況還實時記錄下了每個樁腿的荷載情況。以A2腿為例,其實時監(jiān)測曲線如圖6所示。通過監(jiān)測曲線可知,監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時準確反映荷載的變化情況,并且測量精度可以滿足工程要求。平臺六個樁腿一天的荷載變化情況如圖7所示。該系統(tǒng)在平臺打井作業(yè)期間,實時地監(jiān)測了平臺甲板荷載的變化情況,其中8月～12月的變化情況如圖8所示。可見平臺甲板荷載呈上升趨勢,與實際情況一致。

3 結語

根據(jù)導管架平臺的結構特點,提出了平臺甲板荷載監(jiān)測方法。其中采用了光纖光柵應變測量技術,克服了傳統(tǒng)應變片在實際工程應用中的局限性,實現(xiàn)了在役平臺甲板荷載的長期監(jiān)測。通過所測數(shù)據(jù),可以了解平臺在生產(chǎn)與打井作業(yè)期間的平臺甲板荷載變化情況以及荷載的分布情況,進而合理分配甲板質(zhì)量的分布以及生產(chǎn)設施的擺放。因此對于其他類似平臺的設計與建造都很有參考價值。同時該方法也可以用于平臺陸上建造過程中的整體稱重和重心測量,比較目前普遍采用的同步頂升技術,其具有造價低、操作性強等優(yōu)點。同時該方法在實際工程應用中也存在著一些需要注意的問題:

(1)溫度問題:如進行短時測量,可以忽略溫度效應對測量系統(tǒng)的影響;但如需要長期進行荷載監(jiān)測,則需要考慮溫度因素。本文采用了溫度傳感器進行溫度補償?shù)姆椒?。其中溫度效應包括傳感器本身的溫度效應以及鋼結構本身由于溫度效應而產(chǎn)生的熱脹冷縮對應變測量的影響。溫度補償系數(shù)可以通過理論計算或?qū)嶋H實驗標定得到。但在實際應用過程中發(fā)現(xiàn),同一個樁腿處的四個測點的溫度存在著差異。分析其原因,認為由于樁腿直徑比較大,致使受陽光照射、海風吹拂的程度不同造成了單樁的溫度場分布的不均勻。因此實際測量中需要對每一個測點都進行溫度補償,或者選擇日落后,溫差較小的時刻進行測量。

(2)長期性、可靠性問題:由于光纖光柵測試技術還處于發(fā)展階段,其現(xiàn)場應用是否具可靠性和長期性,這一問題一直是其實際應用推廣發(fā)展的瓶頸。本文采用的是裸光纖光柵直接貼附在結構上的方法。其方法在實際應用過程中會出現(xiàn)傳感器失效,長期應用情況下粘貼用的膠水失效等問題,影響了測量的可靠性和精度。因此建議在以后的工程應用中采用無膠封裝好的光纖光柵應變傳感器,并采用焊接的安裝技術,以保證其可以長期、可靠地進行荷載監(jiān)測。

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The Deck Load Monitoring of the Jacket Platform

WANG Yan-lin1, YUE Qian-jin1, BIXiang-jun1, ZHANG Qi2
(1.State Key Labo rato ry of Structural Analysis for Industrial Equipment of DU T,Dalian 116023,China;2.Department of Naval Architecture of DU T,Dalian 116023,China)

Based on the characteristic of the jacket offshore platform s,the long-term monitoring method on deck load with the Fiber Bragg Grating strain sensors is demonstrated.Thismethod can not only monitor the deck load variety when the platform is in service,but also measure the weight and centroid of the platform during structures construction process.

offshore platform;deck load monitoring;fiber bragg grating;weight and centroid measurement

P752

A

1001-4500(2010)03-0047-05

2009-09-29; 修改稿收到日期:2010-03-29

王延林(1981-),男,博士,主要從事海洋裝備結構的監(jiān)測技術研究與應用。